以農(nóng)田退水污染治理為目標(biāo)的生態(tài)溝渠系統(tǒng)研究進(jìn)展

上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 齊雪萌

一、引言

農(nóng)田地表徑流與農(nóng)田滲漏合流產(chǎn)生的地表水即為農(nóng)田退水，水量在年內(nèi)變化較大，退水中氮、磷污染物作為污染源沿溝渠流向高程較低的河流或湖泊。農(nóng)田退水污染具有分布廣泛、相對(duì)分散、潛伏期長(zhǎng)、危害性大等特點(diǎn)，從而導(dǎo)致農(nóng)田退水污染成為目前國(guó)內(nèi)外環(huán)境污染治理的難點(diǎn)，也成為我國(guó)新農(nóng)村建設(shè)尤其是環(huán)境建設(shè)的最大障礙。

生態(tài)溝渠最初用于改善土質(zhì)農(nóng)田排水溝水土流失、邊坡塌陷以及硬質(zhì)化排水溝排出水體中泥沙和污染物含量大的問(wèn)題，同時(shí)在溝渠內(nèi)種植水生植物可以發(fā)揮一定的景觀功能，并且相較于其他過(guò)程阻斷措施具有不占地的優(yōu)勢(shì)，因此生態(tài)溝渠技術(shù)在近年來(lái)不斷得到發(fā)展和應(yīng)用，并在農(nóng)業(yè)面源污染治理中取得了較好的效果，對(duì)于生態(tài)溝渠的研究更加深入，本文在生態(tài)溝渠的結(jié)構(gòu)、削減機(jī)理、植被選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)置、模型化研究以及評(píng)價(jià)體系研究方面進(jìn)行了梳理和分析，旨在為以生態(tài)溝渠為手段的農(nóng)田面源污染治理措施的建設(shè)和方案選擇提供參考和借鑒。

二、生態(tài)溝渠的結(jié)構(gòu)組成

生態(tài)溝渠是農(nóng)田排水主干溝經(jīng)過(guò)生態(tài)化改造形成的具有阻控污染物作用的生態(tài)退水渠道，是農(nóng)田與河塘湖庫(kù)的“連通器”。生態(tài)溝渠系統(tǒng)主要由工程部分和生物部分組成，工程部分包括主干排水溝、生態(tài)攔截輔助設(shè)施；生物部分由各類植被組成。其中，生態(tài)攔截輔助設(shè)施應(yīng)至少包括節(jié)制閘、攔水坎、底泥捕獲井、氮磷去除模塊，為增強(qiáng)凈化效果，還可增設(shè)生態(tài)浮島、生態(tài)透水壩等設(shè)施[1]。

生態(tài)溝渠系統(tǒng)通過(guò)節(jié)制閘、攔水坎將農(nóng)田退水保留在排水溝內(nèi)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的沉淀凈化將退水排出，泥土和其他雜質(zhì)則被聚集沉淀到底泥捕獲井內(nèi)。氮磷去除模塊是由多孔礦物材料制成，用于同步去除溝渠內(nèi)水體中氮磷的模塊。

生態(tài)浮島是水生植物的種植載體，充分利用水體空間生態(tài)位和營(yíng)養(yǎng)生態(tài)位，建立高效人工生態(tài)系統(tǒng)，用以削減水體中的污染負(fù)荷。生態(tài)透水壩是利用砂石等過(guò)濾材料在溝渠內(nèi)壘筑的具有一定導(dǎo)流、截流作用的構(gòu)筑物，壩體及其表面形成的生物膜能夠?qū)ξ廴舅w進(jìn)行過(guò)濾、分解、吸附等凈化處理，且能夠減緩徑流的沖擊。渠內(nèi)植被選擇優(yōu)勢(shì)水生植物如挺水植物、沉水植物、護(hù)坡植物和溝提蜜源植物。生態(tài)護(hù)坡多采用多孔生態(tài)型生態(tài)混凝土護(hù)坡、生態(tài)網(wǎng)格護(hù)坡以及木樁護(hù)坡，具有良好的通氣吸水、防止土壤流失的特點(diǎn)。

三、生態(tài)溝渠的污染削減機(jī)理及阻控作用

（一）削減機(jī)理

生態(tài)溝渠對(duì)于退水中氮、磷、重金屬具有明顯的削減效果，通過(guò)植物吸收、微生物分解轉(zhuǎn)化、截流沉降、生態(tài)吸附達(dá)到降解效果[2]。

（二）生態(tài)溝渠植被篩選及配置

生態(tài)溝渠對(duì)污染物的削減能力不僅受到水質(zhì)本身、水文條件、季節(jié)變化等外部因素的影響，也受到溝渠植物種類及基質(zhì)類型的影響[3]。植被是農(nóng)田生態(tài)溝渠中的重要組成部分，不僅可以吸收氮磷等物質(zhì)，還可以延長(zhǎng)水力停留時(shí)間，增強(qiáng)景觀效果。關(guān)于生態(tài)溝渠內(nèi)植被群落配置的研究主要集中于蘆葦、美人蕉等常見(jiàn)的夏生植物的削減效果分析，以及植被的阻水原理和效果研究。

菖蒲、蘆葦、美人蕉、水芹、香蒲、燈芯草、空心菜等為常見(jiàn)的生態(tài)溝渠植被，具有良好的氮磷吸收作用。Qiao[4]的研究顯示沉水植物對(duì)于氮、磷的吸收明顯，并且對(duì)Cu、Pb、Zn等重金屬離子也有一定吸收效果，其中伊樂(lè)藻、金魚(yú)藻、苦草等常見(jiàn)沉水植物具有一定的去除水體中總磷、氨氮、總氮、葉綠素a的作用，其中金魚(yú)藻綜合凈化效果最佳。

植被去除率具有生長(zhǎng)變化趨勢(shì)，且將單一植被進(jìn)行組合對(duì)污染物的攔截效果更好，在藻類易爆發(fā)的階段由菹草、野菱和水鱉構(gòu)成的植被群落能夠抑制浮游植物生長(zhǎng)，狐尾藻和海壽花的植被組合在2017年津市市毛里湖稻區(qū)溝渠內(nèi)對(duì)總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮及總磷的去除率分別達(dá)到 34.67%、66.53%、39.51%、46.05%，削減效果較好[5]。

（三）生態(tài)攔截設(shè)施設(shè)計(jì)

1.結(jié)構(gòu)形式

生態(tài)溝渠設(shè)計(jì)要點(diǎn)包含密度布局、斷面形式與緩坡設(shè)計(jì)、襯砌方式、生態(tài)護(hù)坡設(shè)計(jì)、水生植物設(shè)計(jì)、攔水設(shè)施設(shè)計(jì)等。

（1）密度布局：生態(tài)溝渠建設(shè)密度應(yīng)滿足農(nóng)田排水和生態(tài)攔截需要，一般為每hm2農(nóng)田100m生態(tài)溝渠。一般應(yīng)分布在農(nóng)田四周與農(nóng)田區(qū)外的河道之間。

（2）斷面形式與緩坡設(shè)計(jì)：渠體斷面一般為等腰梯形，蘇州市地方規(guī)范將渠體設(shè)置為上寬1.5m、底寬1.0m、深0.6m等形式，采用梯形斷面、復(fù)式斷面或植生型防滲砌塊；浙江省地方規(guī)范規(guī)定主干溝長(zhǎng)度在300m以上，采用梯形、矩形或U形斷面，底寬和深度不宜小于0.4m，斷面材質(zhì)可選用生態(tài)袋、六角磚、圓孔磚、鵝卵石等有利于護(hù)坡植物定植的材料；根據(jù)南京市江寧湯山、武進(jìn)新康多地的實(shí)踐，提出深度不小于0.6m，口寬不小于0.8m的生態(tài)溝渠建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）襯砌方式：邊坡襯砌可采用不填縫漿砌石襯砌、半漿砌石和半混凝土結(jié)合襯砌；渠底可采用含植物生長(zhǎng)帶土壤的混凝土襯砌，或采用由混凝土塊和可種植水生植物的無(wú)砂混凝土框格組成的植生型防滲砌塊[6]。

（4）生態(tài)護(hù)坡：生態(tài)護(hù)坡是利用一系列的工程結(jié)合植物種植達(dá)到加固邊坡、修復(fù)生態(tài)的工程，從技術(shù)角度可分為植被護(hù)坡和植被與工程措施復(fù)合護(hù)坡技術(shù)，后者是目前主要采用的技術(shù)，分為籠石結(jié)構(gòu)復(fù)合護(hù)坡、土工網(wǎng)復(fù)合植被護(hù)坡、植被型生態(tài)混凝土護(hù)坡。植被型生態(tài)混凝土護(hù)坡目前被廣泛應(yīng)用于渠道生態(tài)邊坡，由多孔混凝土材料、保水材料、表層土構(gòu)成。多空混凝土材料作為結(jié)構(gòu)支撐，表層土鋪設(shè)與混凝土表層或填充到混凝土空隙中，供給植被發(fā)芽初期養(yǎng)分，并防止混凝土表面過(guò)熱[7]。

（5）攔水設(shè)施：浙江省規(guī)定攔水坎高度應(yīng)高于渠底0.15-0.20m[1]，也有研究顯示，末端攔水堰應(yīng)保持溝渠水位20-30cm，凈化模塊布設(shè)高度不宜超過(guò)溝渠高度的1/2[8]。

2.生態(tài)溝渠的結(jié)構(gòu)對(duì)削減效果的影響

生態(tài)溝渠斷面形式、構(gòu)造、布置、材料等對(duì)生態(tài)溝渠的污染負(fù)荷削減效果存在影響，改善生態(tài)溝渠的布置方式能在一定程度上提升凈化效果。在上海市青浦區(qū)某一試驗(yàn)基地進(jìn)行的一項(xiàng)研究顯示，與“弓”字形溝渠相比，“一”字形生態(tài)溝渠對(duì)SS、氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)表現(xiàn)出更明顯的去除作用，這種差異在一般濃度徑流下更加明顯[9]。

（四）組合設(shè)計(jì)

1.人工濕地—生態(tài)溝渠耦合

人工濕地是一種模擬自然濕地的污水凈化功能的人工綜合生態(tài)系統(tǒng)，被廣泛用于處理污水廠尾水、養(yǎng)殖場(chǎng)廢水、乳品工業(yè)廢水、雨水徑流處理，是一種成本低、效果好的污染削減裝置，分為表面流濕地、水平潛流濕地、垂直人工濕地等類型。人工濕地的運(yùn)行維護(hù)成本高，污染物去除效果受到水力負(fù)荷、水流方式、溶解氧等諸多要素的影響。研究顯示在凈化雨水徑流的人工濕地前端加入預(yù)處理設(shè)施可以有效減少?gòu)搅髦械念w粒物質(zhì)，提高對(duì)污染物凈化效果[10]。

江蘇省[11]開(kāi)發(fā)了仿生增氧濕地，耦合生態(tài)溝渠，構(gòu)建了生物生態(tài)耦合、排放利用并舉的生態(tài)溝渠—仿生增氧濕地體系，并應(yīng)用于八卦洲農(nóng)業(yè)園的面源控制中，應(yīng)用結(jié)果顯示，耦合系統(tǒng)有效削減了面源污染負(fù)荷，提高了水肥利用效率。

2.生態(tài)塘—生態(tài)溝渠耦合

生態(tài)塘是由人工開(kāi)挖成的自然塘堰改造成的，通過(guò)設(shè)置水生植物、微生物載體、人工增氧等對(duì)污水中有機(jī)物、氮、磷等污染進(jìn)行高效降解、吸附、吸收處理，從而達(dá)到凈化污水效果的削減措施。

生態(tài)溝渠處理效果受到溶解氧（DO）含量限制，DO充足時(shí)好氧微生物通過(guò)代謝降解有機(jī)物，減少水體COD濃度，同時(shí)還會(huì)促進(jìn)硝化過(guò)程，使水體內(nèi)硝態(tài)氮含量降低；DO含量不足時(shí)，降解活動(dòng)降低，有機(jī)物不能被充分降解，限制了硝化過(guò)程，促進(jìn)了反硝化過(guò)程，使得COD和硝態(tài)氮含量相對(duì)增加。此外，水力負(fù)荷和進(jìn)水水質(zhì)的不穩(wěn)定同時(shí)也會(huì)影響生態(tài)溝渠的系統(tǒng)運(yùn)行和去除效率。因此有必要在生態(tài)溝渠前設(shè)置生態(tài)塘，通過(guò)水質(zhì)預(yù)處理減少生態(tài)溝渠系統(tǒng)負(fù)荷，調(diào)節(jié)水量，避免發(fā)生泥土沖刷和水量倒灌，同時(shí)通過(guò)曝氧裝置提高水體DO含量，提高系統(tǒng)處理效率[12]。

周曉林[13]分析總結(jié)了渠塘系統(tǒng)的去除污染物機(jī)理以及影響因素，水體中的氮磷元素主要通過(guò)底泥、填料吸附和沉淀，植物吸收和微生物降解去除的主要為磷酸鹽。為了平衡系統(tǒng)中的DO和沉降速度，多位學(xué)者將渠塘截面設(shè)計(jì)為跌水式，利用高程差達(dá)到目標(biāo)。

四、生態(tài)溝渠的數(shù)學(xué)模型化研究

數(shù)學(xué)模型是研究污染削減措施效果的有效手段，生態(tài)溝渠去除污氮磷等污染物的機(jī)理復(fù)雜且相互耦合，需要借助數(shù)學(xué)模型進(jìn)行機(jī)理探究，并應(yīng)用于生態(tài)溝渠的構(gòu)建方案模擬與選取[14]。目前包括 MIKE、EFDC、Delft、QUAL、WASP等一、二、三維數(shù)值模型已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水體的水動(dòng)力、水質(zhì)模擬中，部分模型考慮水體中化學(xué)、生態(tài)反應(yīng)過(guò)程，能夠較好地模擬水質(zhì)。但目前研究水體主要為湖泊、河道、港灣，研究的主要問(wèn)題是水體富營(yíng)養(yǎng)化、水環(huán)境容量、水動(dòng)力分析、溫鹽、泥沙運(yùn)移等，如李一平[15]基于EFDC模型建立了太湖三維風(fēng)生流模型，并將水質(zhì)模塊和富營(yíng)養(yǎng)化模型耦合，模擬太湖的水質(zhì)要素遷移變化規(guī)律。黃愛(ài)平[16]利用EFDC模型定量化分析鄱陽(yáng)湖的水動(dòng)力特征和河湖、江湖關(guān)系變異的響應(yīng)，以及富營(yíng)養(yǎng)化特征與水動(dòng)力學(xué)條件變化的響應(yīng)。

受到數(shù)值模型的精度限制，目前針對(duì)農(nóng)田退水效果的數(shù)值模擬研究較少，對(duì)于小尺度的退水渠道內(nèi)水質(zhì)生態(tài)措施削減效果分析研究多采用實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行，數(shù)值模擬方法一般停留在一維模型階段。數(shù)值模擬的方法難點(diǎn)在于通過(guò)設(shè)置精準(zhǔn)的參數(shù)體現(xiàn)出實(shí)際水體中污染物遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程和復(fù)雜且耦合的反應(yīng)機(jī)理，并且同時(shí)需考慮陽(yáng)光、溫度、大氣、水文、微生物等因素的影響[14]。梁新強(qiáng)[17]開(kāi)發(fā)了一級(jí)水動(dòng)力學(xué)和水氮耦合平衡的遷移模型，可定向定量估算氮素進(jìn)入水體和徒然、空氣、植被的通量，并對(duì)氮素流失通量做了三維分配。

五、評(píng)價(jià)體系

合理的生態(tài)溝渠評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建有助于提高生態(tài)溝渠系統(tǒng)建設(shè)的科學(xué)性和推進(jìn)運(yùn)維模式，同時(shí)也有助于確定農(nóng)田水環(huán)境治理的短板，明確治理的方向和重點(diǎn)[29]。

目前，有學(xué)者[6]采用層次分析法對(duì)生態(tài)溝渠技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，指標(biāo)體系分為環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)3個(gè)準(zhǔn)則層，經(jīng)濟(jì)準(zhǔn)則層包括涵蓋工程投資、運(yùn)行費(fèi)用2個(gè)指標(biāo)層；技術(shù)準(zhǔn)則層為污染物去除率、工程運(yùn)行穩(wěn)定性、技術(shù)操作和運(yùn)行管理難易；環(huán)境準(zhǔn)則層為資源化利用程度，其中技術(shù)和環(huán)境指標(biāo)層下又包含分指標(biāo)層，共計(jì)12個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中權(quán)重最高的3個(gè)指標(biāo)是出水達(dá)標(biāo)率、工程投資和廢水回收利用率。也有研究[18]從經(jīng)濟(jì)有效性角度對(duì)生態(tài)溝渠進(jìn)行評(píng)價(jià)，調(diào)查測(cè)算生態(tài)溝渠的建設(shè)費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益。

六、結(jié)語(yǔ)與展望

生態(tài)溝渠系統(tǒng)是經(jīng)過(guò)生態(tài)改造的具有阻控農(nóng)田退水污染的退水渠道，具有主干排水溝、生態(tài)攔截設(shè)施、和生物部分，以及生態(tài)透水壩、生態(tài)浮島等削減設(shè)施，在植物吸收、微生物分解轉(zhuǎn)化、截流沉降、生態(tài)吸附的作用下達(dá)到降解效果。

影響生態(tài)溝渠削減效果的原因比較復(fù)雜，包含水力停留時(shí)間、溶解氧含量、溫度、填料等方面，在生態(tài)溝渠的設(shè)計(jì)中需要從溝渠結(jié)構(gòu)和植被組成方面加以考慮以達(dá)到污染治理目標(biāo)。植被選擇宜選用菖蒲、蘆葦、美人蕉、水芹、香蒲、燈芯草、空心菜、伊樂(lè)藻、金魚(yú)藻、苦草、金魚(yú)藻等水生植物，生態(tài)護(hù)坡宜選用植生型生態(tài)混凝土護(hù)坡，斷面形式密度布局等工程設(shè)計(jì)應(yīng)符合地方規(guī)范。

為了增加削減效果，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，可以選擇其他阻控技術(shù)與生態(tài)溝渠進(jìn)行協(xié)同耦合，如人工濕地和生態(tài)塘，研究表明其削減效果優(yōu)于單一技術(shù)體系。

關(guān)于生態(tài)溝渠削減效果的數(shù)值模擬研究較少，目前主要停留在一維模型階段，對(duì)于該數(shù)據(jù)的研究仍以實(shí)驗(yàn)室或試驗(yàn)場(chǎng)地研究為主。一定程度上可參考已有的水氮耦合平衡的遷移模型、EFDC模型的公式或參數(shù)取值。

現(xiàn)有的生態(tài)溝渠評(píng)價(jià)體系中主要從環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等多個(gè)方面進(jìn)行考核。重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容為出水達(dá)標(biāo)率、工程投資和廢水回收利用率，和溝渠長(zhǎng)度、護(hù)坡類型、水生植物種類、低水位堰、生態(tài)透水壩基質(zhì)種類、運(yùn)維情況等直接建設(shè)內(nèi)容。

為了盡快突破我國(guó)污染治理的瓶頸，應(yīng)當(dāng)開(kāi)展多種生態(tài)治理技術(shù)的耦合機(jī)理和應(yīng)用研究，并通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬參數(shù)的分析提出削減效果更優(yōu)的組合方案。